高效率LLC同步整流數字雙環均流控制策略

李建霖，王樂鵬，吳亞杰，廖樹龍，郭 科

（珠海泰為電子有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

隨著人們對功率密度的要求越來越高，常規半橋LLC拓撲（見圖1）很難滿足大功率拓撲的需求。為了降低二極管D1、D2的損耗，使用場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）替代二極管（見圖2）[1-3]。受同步整流MOSFET功率限制，采用多個MOSFET并聯的方式能夠提高輸出功率（見圖3）。隨著功率的進一步增大，變壓器單個副邊繞組輸出功率受到限制，出現了2個及以上副邊繞組（見圖4）。此時再加上多個MOSFET并聯，可以進一步增大輸出級功率，但由于磁性器件、MOSFET及電路參數的差異，每個MOSFET流過的電流不相等，流過電流偏大的MOSFET管損耗增大且老化加速，帶來更大的系統偏差，最終影響整個電源的壽命[4,5]。基于此，針對此低壓大電流的并聯結構拓撲，提出了一種同步整流均流控制方法。

圖1 常規LLC

圖2 帶同步整流LLC

圖3 MOSFET并聯的同步整流LLC

圖4 變壓器多抽頭式MOSFET并聯同步整流LLC

1 控制方法分析

一般情況下，不均流會導致MOSFET之間的環流。MOSFET并聯的同步整流LLC中，由于MOSFET及驅動電路的差異也會存在環流，但這個環流很小，通常可以忽略。當采用變壓器多抽頭式MOSFET并聯同步整流LLC拓撲時，變壓器線材、繞制、間隙等導致副邊繞組不一致，進一步增大MOSFET之間的環流，因此本文主要圍繞此拓撲進行均流控制分析。MOSFET之間的環流如圖5所示，通常存在于Qr1與Qr3、Qr2與Qr4之間。如果能夠檢測MOSFET的電流，就能清楚環流大小及方向。但此方法需要增加2個電流采樣，如果采用電阻分壓的方式采樣電流，電阻上流過的大電流會增加損耗；如果采用電流互感器來采樣電流，則會增加電源成本和面積[6,7]。

圖5 MOSFET之間的環流

LLC普通單環控制策略如圖6所示。

圖6 普通單環控制策略

在此基礎上，將MOSFET Qr1（Qr2）的漏級電壓與MOSFET Qr3（Qr4）的漏級電壓進行差分放大，送入模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）輸入引腳。雙環均流控制策略如圖7所示。

圖7 雙環均流控制策略

CONTROLLER1支路是常規的LLC控制器環路，ADC采樣的直流電壓進行閉環控制并輸出PERIOD周期值，經PWM模塊生成PWM1和PWM2信號，分別用于控制LLC原邊MOSFET。CONTROLLER2支路在對副邊Qr3、Qr4的漏極信號進行差分放大后送入數字控制芯片的ADC模塊，為了減少噪聲的干擾，通常在信號進入ADC之前引入低通濾波器。CONTROLLER2支路的輸出Adj_Err與CONTROLLER1支路的輸出PERIOD進行組合控制后得到PERD，經PWM模塊生成PWM3和PWM4，分別用于控制LLC副邊同步整流管。

2 仿真驗證及分析

通過MATLAB搭建700 W LLC諧振變換器仿真模型，電路參數取值如表1所示。

表1 LLC諧振變換器仿真電路參數

未使用均流控制策略時的上下抽頭電流、電流差值（80倍）放大波形如圖8所示，使用均流控制策略后的上下抽頭電流、電流差值（80倍）放大波形如圖9所示。

圖8 未使用均流控制策略時的電流波形

圖9 使用均流控制策略后的電流波形

通過對比圖8、圖9的波形，上下抽頭電流最大偏差值由0.18 A減小到1 μA以下，效果非常明顯。經過優化后的電源運行更均衡，效率更優。

3 結 論

通過研究雙環控制和組合控制相結合的控制策略，能夠降低大功率LLC同步整流之間的環流。最終結果表明，本文所提雙環控制策略在不增加電源成本和體積的基礎上，能夠有效實現同步整流管的均流，減少電源損耗，延長電源的使用壽命，適用于大功率低壓大電流電源。